LAPORAN TAHUNANPENELITIAN DOSEN PEMULA

PERILAKU POLA ALIRAN UDARA PADA KINERJA VENTILASI BANGUNAN MENGGUNAKAN PROGRAM CFD

TIM PENGUSUL, KETUA : Meldawati Artayani, ST NIDN : 0922038102 ANGGOTA : Muhammad Kamil, ST NIDN : 0909098202

UNIVERSITAS FAJAR MAKASSARNovember 2013

AbstrakSolusi rancangan arsitektur yang memungkinkan terjadinya aliran udara secara maksimum pada bangunan sangat berpengaruh dalam menciptakan efek termal dalam hal ini aspek arsitekural pada bukaan ventilasi guna menangani aliran udara. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan perilaku pola aliran udara pada kinerja ventilasi. Untuk mencari perilaku pola aliran udara pada kinerja ventilasi, dilakukan simulasi Computating Fluid Dynamic (CFD) terhadap beberapa modifikasi yaitu perilaku pola aliran udara pada kinerja ventilasi. Simulasi mengambil hari yang sama dengan hari yang digunakan untuk simulasi dan dengan mengambil sampel di mana temperatur tertinggi yaitu pada jam 12.00 wita, yakni hari ke empat pada puncak tertinggi temperatur. Terdapat 5 jenis Modifikasi perbandingan bukaan yang diuji pengaruhnya terhadap kualitas temperatur dan kecepatan angin, termasuk di dalamnya kondisi eksisting yakni simulasi modifikasi 1 jendela di mana bukaan jendela dan pintu tersebut dalam keadaan terbuka. Hasil studi menunjukkan simulasi modifikasi 1 sampai 5 melalui perbandingan dan penambahan luasan bukaan pada beberapa dinding, sehingga mampu menaikkan kecepatan angin, area tersebut mendapatkan aliran angin langsung. Sementara pada area tertentu, justru menurunkan kecepatan angin di dalam ruang. Untuk itu, perluasan bukaan harus memperhatikan perbandingan besaran outlet dan inlet. Berdasarkan simulasi perilaku pola aliran udara pada kinerja ventilasi terhadap beberapa modifikasi bukaan aliran udara alami, yakni modifikasi 4 jendela, 3 jendela, 2 jendela, 1 jendela dan 5 ventilasi, diperoleh hasil bahwa bukaan outlet lebih besar dari inlet mempengaruhi penurunan temperatur diperoleh pada modifikasi penggunaan 4 jendela, sedangkan yang paling buruk diperoleh pada modifikasi penggunaan bukaan 5 ventilasi, simulasi bukaan 4 jendela ini mampu menekan temperatur dari kondisi eksisting dengan jumlah 1,7C.

Kata kunci: Inlet-outlet, Ventilasi, Perilaku udara.

PENDAHULUANKarya Arsitektur adalah hasil upaya manusia menciptakan lingkungan yang utuh untuk menampung kebutuhan manusia bertempat tinggal berusaha atau bersosial budaya (Budiharjo, 1997). Rumah selain berfungsi sebagai bangunan yang dapat memberikan perlindungan yang aman dan nyaman bagi penghuninya juga harus menampung aktifitas dasar penghuninya. Menurut Olgay (1963), tingkat produktivitas dan kesehatan manusia sangat dipengaruhi oleh kondisi iklim setempat. Heins Frick 1998, mengatakan bahwa angin dan pengudaraan terus menerus mempersejuk ruangan udara. Yang bergerak menghasilkan penyegaran terbaik karena dengan penyegaran tersebut terjadi proses penguapan yang menurunkan suhu pada kulit manusia dengan demikian juga dapat digunakan angin untuk mengatur udara didalam ruang. Menurut Mangunwijaya (1994) bahwa ventilasi horizontal dapat tercapai dengan pembuatan jendela-jendela atau lubang ventilasi yang sedapat mungkin saling berhadapan pada dua sisi bangunan. Tidak banyak berguna apabila membuat lubang-lubang ventilasi hanya pada dinding-dinding sepihak saja, karena angin tidak akan bisa mengalir oleh karena itu perlu adanya perbandingan lobang masuk udara (inlet) dan lobang keluar udara pada ventilasi bangunan.Pengamatan pada konteks ini adalah mengenai perubahan temperatur dan perilaku pola aliran udara pada kinerja ventilasi dan perubahan temperatur yang maksimal pada Ruang Kuliah MIPA Universitas Negeri Makassar di Makassar yang di teliti.

METODE PENELITIANVaraibel PenelitianMenurut Somantri (2006), variabel adalah karakteristik yang akan diobservasi dari satuan pengamatan. Karakteristik tersebut merupakan ciri tertentu dari objek yang diteliti. Adapun variabel dari penelitian ini terdiri atas tiga jenis variabel, yakni: variabel bebas, variabel terikat, dan variabel kontrol.Variabel bebas adalah suatu variabel yang variasinya mempengaruhi variabel lain atau variabel yang pengaruhnya terhadap variabel lain ingin diketahui. Dalam kenyamanan termal, yang termasuk variabel bebas antara lain: perbandingan besaran bukaan inlet-outlet, ukuran bukaan inlet-outlet , kecepatan angin. Variabel terikat adalah variabel penelitian yang diukur untuk mengetahui besarnya efek atau pengaruh variabel lain. Pada perubahan temperatur, variabel terikatnya, terdiri atas: suhu (C) , kecepatan angin (m/s).Variabel kontrol adalah variabel yang berfungsi sebagai kendali variabel bebas terhadap variabel terikat. Variabel kontrol dari penelitian ini adalah nilai standarisasi Mom, dkk. (1947) yang pernah dilakukan di Indonesia.

Alat Pengumpul DataAlat yang digunakan untuk mengukur dalam penelitian ini adalah untuk mengukur temperatur udara dan kelembaban udara digunakan alat higrometer dan thermometer, dan kecepatan angin diukur dengan alat Anemometer, untuk elemen bangunan digunakan rol meter, lebih jelasnya dapat dilihat pada tabel 1. Teknik Analisis Data Permodelan Terlebih dahulu dilakukan pemodelan dalam bentuk tiga dimensi, Langkah awal dilakukan penggambaran model dalam bentuk volume udara yang akan disimulasikan. Model digambar dalam bentuk 1 unit ruang hunian yang akan disimulasi dalam volume. Geometry and Mesh .Proses meshing merupakan langkah lanjutan yang dilakukan setelah proses penggambaran selesai. Ukuran mesh yang terdapat pada suatu obyek akan mempengaruhi ketelitian analisis CFD (Computational Fluid Dinamics) yang akan dilakukan. Semakin kecil ukuran mesh pada sebuah obyek, maka akan semakin teliti hasil yang didapat. Tampak hasil mesh dari benda yang digambar dan penentuan daerah-daerah batas inlet, outlet dan wall. Kemudian mengubah solver ke bentuk FLUENT. Selain itu, agar bisa terbaca dan terdeteksi pada CFD untuk proses simulasi, gambar pada mesh harus di ekspor terlebih dahulu ke dalam file dengan ekstensi msh.Pemilihan SolverDalam window di awal membuka FLUENT, ada beberapa pilihan solver. Solver 2D digunakan untuk menganalisa komponen yang digambar 2 dimensi, sedangkan solver 3D digunakan untuk menganalisa komponen dengan bidang 3 dimensi. Apabila dipilih 2d/3d (double precision), maka anilisa akan menghasilkan data yang lebih akurat, dikarenakan solver tersebut merupakan solver dengan keakuratan ganda.Mengimpor dan Memeriksa MeshMesh model yang telah dibuat dalam harus dibuka dahulu di FLUENT agar dapat dilakukan analisa dan file yan dipilih untuk dibuka pada FLUENT adalah file dengan ekstensi (*.msh) merupakan file kasus yang berisi mesh dan parameter-parameter yang telah dimasukkan ke dalam

Menentukan Kondisi BatasSetelah itu kita tentukan kondisi model yang digunakan untuk simulasi. Ada yang berfungsi sebagai dinding (wall) dan ada yang berfungsi sebagai outlet- inlet. Perlu dipastikan bahwa parameter yang dimasukkan telah sesuai dengan kondisi nyata. Proses IterasiLangkah selanjutnya, semua yang telah di tentukan kondisi batas dimasukkan ke dalam software dan disesuaikan dan dicocokkan dengan kondisi software sebelum direaksikan/dijalankan literasi tersebut terlihat pada grafik, sehingga akan mengetahui hasilnya konvergen atau divergen. Jika hasilnya divergen, berarti terdapat kesalahan dalam memasukkan data atau dalam pembatasan pada boundary condition.Setelah melakukan Iterasi, yang merupakan cakupan dari keseluruhan proses reaksi yang terjadi, maka didapatkan tampilan kontur dari bidang yang dianalisa, kemudian menghasilkan nilai dalam output.

HASIL Kondisi EksistingNilai yang diperoleh dari pengukuran pada lantai 3 merupakan salah satu hasil pengukuran, dapat dijelaskan hal-hal sebagai berikut: Pada pukul 06:00 pengukuran di awali dengan kondisi temperatur lantai 3 ruang kuliah masih rendah dengan nilai temperatur 26C luar ruangan 26.6C dan kecepatan angin 0,2 m/s, kondisi matahari dalam keadaan akan terbit, nilai temperatur dan kecepatan angin sesuai pada standard nyaman, kondisi ini belum mengalami adanya peningkatan suhu yang di akibatkan matahari terbit. Pada pukul 07:00 s/d pukul 12:00 adanya peningkatan di sebabkan matahari telah terbit yang menghasilkan nilai 31,9C s/d 33,4C namun adanya peningkatan suhu temperatur yang signifikan akibat radiasi dan konveksi namun faktor radiasi tidak terlalu berpengaruh karena posisi ruang kuliah lantai 3 berada pada posisi barat yg tidak terkenal langsung oleh radiasi matahari, akan tetapi nilai kecepatan angin meningkat 0.2 s/d 0.9 m/s dengan adanya peningkatan nilai kecepatan angin hal ini mampu menekan peningkatan suhu pada ruang. Pada pukul 13:00 s/d pukul 18:00 nilai temperatur semakin meningkat drastis di akibatkan radiasi matahari pada sisi barat berlangsung selama 5 jam namun peningkatan kecepatan angin pada luar bangunan 1,4 m/s hal ini mampu menekan peningkatan suhu pada ruang kuliah namun angka-angka ini berada d bawah batas kenyamanan penghuni.Simulasi Modifikasi Elemen TemperaturUntuk mencari desain bangunan yang optimal dari segi distribusi udara dalam hal kenyamanan termal, dilakukan simulasi terhadap beberapa modifikasi ventilasi atau bukaan pada bangunan. Simulasi mengambil hari yang sama dengan hari yang digunakan untuk simulasi dan dengan mengambil sampel di mana temperatur tertinggi yaitu pada jam 12.00 wita, yakni hari ke empat pada puncak tertinggi temperatur. Terdapat 5 jenis Modifikasi bukaan yang diuji pengaruhnya terhadap kualitas temperatur dan kecepatan angin, termasuk di dalamnya kondisi eksisting yakni simulasi modifikasi 1 jendela di mana bukaan jendela dan pintu tersebut dalam keadaan terbuka.Simulasi Modifikasi 1 Terdapat 1 jendela sebagai distribusi udara (inlet) pada satu hunian belajar ruang kuliah Sebagaimana diketahui bahwa udara siang hari di daerah beriklim tropis lembab menyebabkan kondisi tidak nyaman di ruangan-ruangan karena tingginya temperatur hal ini di sebabkan kurangnya distribusi udara pada ruang kuliah, dari hasil simulasi distribusi udara pada Modifikasi 1 belum cukup mendistribusi udara karena jumlah bukaan inlet dan luas bukaan inlet tidak sebanding dengan bukaan outlet.Simulasi Modifikasi 2Terdapat 2 garis jendela sebagai distribusi udara (inlet) pada satu hunian ruang kuliah Sebagaimana diketahui bahwa udara siang hari di daerah beriklim tropis lembab dengan suhu ruang kamar 32,5C, ruang tamu 31,1C dan ruang luar 33,7C menyebabkan kondisi tidak nyaman di ruangan-ruangan karena tingginya temperatur hal ini di sebabkan kurangnya distribusi udara pada ruang hanya dua geometri bukaan pintu dan jendela pada ruang kemudian di suplai ke dalam ruang kuliah dengan bukaan sedangkan out-let terdapat 2 garis jendela untuk ruang, dari hasil simulasi distribusi udara pada Modifikasi 2 belum cukup menditribusi udara jumlah bukaan inlet dan luas bukaan inlet sebanding dengan bukaan outlet akan tetapi penyebaran distribusi udara belum menyebar secara merata dalam ruang di sebabkan inlet masih sebanding dengan outlet.Simulasi Modifikasi 3Dari beberapa penjelasan modifikasi 1 dan 2 bahwa kebutuhan distribusi inlet dalam ruang sudah mencukupi, namun kebutuhan sirkulasi pada ventilasi silang belum terpenuhi karena distribusi outlet belum lebih besar perbandingan antara inlet dan outlet Terdapat 2 garis jendela sebagai distribusi udara (inlet) pada satu ruang Sebagaimana diketahui bahwa udara siang hari di daerah beriklim tropis lembab dengan suhu ruang kamar 32,5C, ruang tamu 31,1C dan ruang luar 33,7C menyebabkan kondisi tidak nyaman di ruangan-ruangan karena tingginya temperatur hal ini di sebabkan kurangnya distribusi udara pada ruang hanya dua geometri bukaan pintu dan jendela pada ruang luar kemudian di suplai ke dalam ruang kuliah dengan bukaan sedangkan out-let terdapat 2 garis jendela ruang kuliah, dari hasil simulasi distribusi udara pada Modifikasi 3 belum cukup menditribusi udara jumlah bukaan inlet dan luas bukaan inlet sebanding dengan bukaan outlet akan tetapi penyebaran distribusi udara belum menyebar secara merata dalam ruang di sebabkan inlet masih sebanding dengan outlet.

Simulasi Modifikasi 4Adanya keterbatasan penambahan jumlah bukaan ventilasi pada gedung kuliah MIPA UNM, pada modifikasi 4 kebutuhan distribusi inlet dalam ruang sudah mencukupi karena pada sisi depan depan dan sisi belakang gedung telah maksimal sedangkan sisi samping kiri dan kanan tidak terpenuhi untuk bukaan disebabkan model gedung MIPA UNM dalam bentuk memanjang namun pada modifikasi 4 kebutuhan sirkulasi ventilasi silang cukup memenuhi karena distribusi outlet cukup maksimal dengan penambahan 3 jendela pada posisi outlet lebih besar perbandingan antara inlet dan outlet, Terdapat jendela sebagai distribusi udara (inlet) pada satu ruang kuliah. Dari hasil simulasi distribusi udara pada Modifikasi 4 telah memenuhi mendistribusi udara ruang pada ruang kuliah dengan ukuran perbandingan 1 meter di atas lantai , jumlah bukaan inlet dan luas bukaan inlet lebih kecil dengan bukaan outlet.Simulasi Modifikasi 5Pada modifikasi 5 perletakan jendela sama dengan kondisi eksisting Terdapat 3 garis jendela akan tetapi 1 jendela dalam keadaan tertutup dan pintu ruang kuliah dalam keadaan tertutup akan tetapi ada penambahan jalousi inlet maupun outlet sebagai distribusi udara pada ruang kuliah Sebagaimana diketahui bahwa udara siang hari di daerah beriklim tropis lembab dengan suhu ruang 32,5C, dan ruang luar 33,7C menyebabkan kondisi tidak nyaman di ruangan-ruangan karena tingginya temperatur hal ini di sebabkan kurangnya distribusi udara pada ruang hanya satu geometri bukaan yaitu jendela pada ruang kemudian di suplai ke dalam ruang kuliah dengan bukaan sedangkan out-let terdapat 1 garis jendela ruang, dari hasil simulasi distribusi udara pada Modifikasi 1 belum cukup menditribusi udara jumlah bukaan inlet dan luas bukaan inlet sebanding dengan bukaan outlet akan tetapi penyebaran distribusi udara belum menyebar secara merata dalam ruang di sebabkan inlet masih sebanding dengan outlet.

PEMBAHASANPada Typikal Gedung kuliah ruang Kuliah MIPA UNM bukaan jendela hanya satu permukaan dinding sehingga mengakibatkan aliran udara yang masuk dan keluar sangat sedikit dan sulit, untuk mengatasinya harus di buat bukaan yang bersebrangan supaya terjadi ventilasi silang. Kecepatan angin dalam kuliah ini berkisar 0.1 m/s sampai dengan 0.4 m/s tidak terasa dan tidak berpengaruh pada kenyamanan udara luar juga yang bersuhu tinggi 33,80 C tetapi kecepatan angin cukup nyaman yaitu sebesar 1,6 m/dt . dengan melihat Gedung ini sebagai gedung tengah, maka tidak dapat leluasa membuat bukaan kecuali pada ruang sisi depan dan belakang dan penambahan dimensi bukaan jendela, demikian juga dengan sebagian bukaan menggunakan kaca mati pada jendela sangat tidak tepat karena tidak dapat leluasa memasukkan udara.Kualitas Kenyamanan Termal jika ditinjau dari suhu rata-rata (C) pada lantai 1 dan 2 secara umum masih berada di bawah standar 33,8 C sedangkan pada lantai 3 nilai suhu rata-rata (C) sedikit lebih rendah dan menunjukkan nilai sedikit perbedaan . Jika ditinjau dari segi ketinggian bangunan oleh faktor kecepatan angin (m/s) dengan kondisi jam 12.00 wita , maka secara umum suhu rata-rata (C) selama 7 hari pengukuran masih berada di bawah standar Mom dan Wiesebrom dalam (Soegijanto, 1998) adalah sejuk nyaman suhu antara 20,5C sampai dengan 22,8C (TE), nyaman optimal suhu antara 22,8C sampai dengan 25,8C (TE) dan hangat nyaman suhu antara 25,8C sampai dengan 27,1C (TE).%Hasil simulasi modifikasi melalui penambahan luasan bukaan external pada beberapa zona mampu menaikkan kecepatan angin internal. Zona-zona tersebut mendapatkan aliran angin langsung dengan nilai Cp positif. Sementara pada zona tertentu, justru menurunkan kecepatan angin di dalam ruang. Untuk itu, perluasan bukaan harus memperhatikan perbandingan besaran outlet dan inlet Hedy C.Indrani(2008). Konfigurasi arsitektural yang telah menjadi tipe umum untuk diterapkan didaerah beriklim tropis lembab, yakni dengan adanya naungan penghalang sinar matahari langsung. Bentuk penghalang tersebut secara geometris mempengaruhi besarnya angka Cd. Namun angka Cd ini tidak terpengaruh oleh posisi bukaan menurut ketinggiannya Sangkertadi dkk(2001). Penggunaan teknik simulasi numerik dengan perangkat paket CFD dapat menghasilkan keluaran yang representatif untuk disajikan secara visual karena Penggunaan teknik simulasi numerik ini pada akhirnya dapat memudahkan kita untuk menyatakan secara kuantitatif bahwa ternyata faktor kecepatan angin dan besaran bukaan ventilasi sangat berperan dalam mencapai tingkat kenyamanan penghuni ruang Kussoy Wailan John (2001).

KESIMPULAN DAN SARANApabila ditinjau dari faktor temperatur rata rata, sesuai gambar 2, maka modifikasi yang memiliki nilai paling baik adalah modifikasi simulasi penggunaan modifikasi 4 , dan yang terendah nilai temperatur rata-ratanya adalah simulasi penggunaan modifikasi 4. Hal ini berlaku untuk lantai 2 dan lantai 3. Selain itu, nilai temperatur rata-rata dari semua modfikasi pada lantai 2-3 dapat disimpulkan masih dibawah standar, karena sebagian besar nilainya masih berada di bawah angka 29C. akan tetapi dari simulasi bukaan 4 jendela ini mampu menekan temperatur dari kondisi eksisting dengan jumlah 1,79C. DAFTAR PUSTAKABudihardjo Eko. (2009). Pengaruh Budaya dan Iklim dalam Perancangan Arsitektur. PT. Alumni, Bandung.Frick, Heinz, Ardiyanto Antonius, & Darmawan AMS. (2008). Ilmu Fisika Bangunan. Penerbit kanisius. Yogyakarta.Indrani Hedy C.(2008) .Dimensi Interior, Vol.6, NO.1,JUNI 2008: 9-23 10Kussoy Wailan John (2001) Jurnal Ilmiah Sains Vol. 11 No. 1, April 2011Mom, C. P., Wiesebron, J. A., Courtice, R. & Kip, C. G. (1947). The application of the effective temperature scheme to the comfort zone in the Netherlands Indies. Chronica Naturae,Norbert Lechner. (2007). Heating, Cooling, Lighting : Metode desain untuk Arsiitektur. PT. RajaGrafindo. Jakarta.Lippsmeier, Georg. (1984). Bangunan Tropis, Erlangga, Jakarta.Lindley, James A. And James H. Whitaker. (1996). Agricultural Buildings and Structures: Revised Edition. ASAE. St. Joseph, USA.Olgay, V. (1963). Design with Climate: Bioclimatic Approach to Arvhitectural Regionalism, Princenton University Press, Princenton.Somantri, Ating dan Sambas Ali Muhidin. (2006). Aplikasi Statistik Dalam Penelitian. Bandung: Pustaka Setia.Soegijanto. (1999). Bangunan Di Indonesia Dengan Iklim Tropis Lembab Ditinjau Dari Aspek Fisika Bangunan. Institut Teknonolgi Bandung. Bandung.Szokolay, SV. (1980). Environment Science Handbook, Construction Press Longman, London.Sangkertadi dkk(2001). Dimensi Teknik Arsitektur Vol. 29, No. 2, Desember 2001: 147 - 150

Tabel 1. Alat-alat perekam dan pengukuranPARAMETERALATJUMLAH

Temperatur udaraThermo - Hygrometer6 buah

Temperatur udara

KelembabanHygrometer2 buah

Angin (kecepatan)Anemometer1 buah

Mendapatkan Wet Bulb TemperaturDiagram Psikometrik-

Temperatur Efektif (ET) dari DBTDiagram Temp. Efektif (ET Monogram)-

Standar KenyamananMom, et al., 1947-

Perhitungan laju pergantian udaraRumus Boutet, 1987.-

Gambar 2 .Tabel Perbandingan nilai temperatur modifikasi simulasi , lantai 1 s/d lantai 3